[發明專利]一種車用燃料電池動態工況下熱力學性能的綜合評價方法

有效

• 申請號: 202110055258.1
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112820906B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 陳曦;賀凌軒;王學鵬;李旭東;吳雪婷;萬忠民;丁躍澆
• 申請（專利權）人: 湖南理工學院
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;B60L58/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種車用燃料電池動態工況下熱力學性能的綜合評價方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟(1)：建立車用質子交換膜燃料電池系統模型，包括電壓模型、空壓機模型、加濕器模型、冷卻水泵、氫氣循環泵模型；對模型進行實驗驗證與參數分析；步驟(2)：通過給定質子交換膜燃料電池階躍變化電流以達到模擬燃料電池汽車在行駛過程中負載變化情況；步驟(3)：利用系統電功率、系統電效率、系統熱效率、全系統效率模型對系統在電流階躍變化情況下的熱力學性能進行評價，實現車用質子交換膜燃料電池動態動態工況下的系統熱力學評價；

具體設備包括PEMFC電堆和空氣壓縮機、冷卻水泵、加濕器、氫氣循環泵；

模擬了車用PEMFC系統在180-300A之間的電流階躍變化，分別在80s、200s、320s、400s時發生電流階躍；

步驟(2)由于燃料電池汽車在運行過程中負載能耗以及PEMFC工作參數都是動態變化的，因此通過電流與系統之間的擬合公式，通過給定PEMFC階躍變化電流以達到模擬燃料電池汽車在行駛過程中負載變化情況，從而可以得到車用PEMFC系統動態工況下的性能輸出；得到的動態響應相較于傳統穩態響應更能體現運行中的燃料電池汽車的性能變化；

步驟(3)通過matlab/simulink仿真軟件結合電效率、熱效率、全系統效率模型對系統在電流階躍變化情況下的熱力學輸出，通過對熱力學結果的研究分析以達到車用PEMFC動態動態工況下的系統熱力學評價；

整個PEMFC系統的熱力學性能是綜合考慮PEMFC堆棧輸出和輔助部件能耗的結果，系統電功率、系統電效率、系統熱效率、全系統效率模型具體如下：

P_{el_sys}＝P_{el_st}-P_compressor-P_pump-P_cycle

其中，P_{el_sys}為系統電功率(kW)，η_{el_sys}為系統電效率；η_{th_sys}為系統熱效率；η_sys為全系統效率；P_{el_st}為PEMFC電堆電功率(kW)；P_{th_st}為PEMFC電堆熱功率；P_compressor為空氣壓縮機功率；P_humid為加濕器功率；P_pump為冷卻水泵功率；P_cycle為氫氣循環泵功率；為氫氣過量系數；LHV為燃料電池低熱值(1.25V)；I_cell為系統電流(A)；N為燃料電池單電池數目；

通過以上公式結合PEMFC電堆模型及電流動態階躍給定，可得動態工況下的車用PEMFC熱力學性能輸出；通過對系統輸出結果圖的分析，達到熱力學評價的標準；

氫氣循環泵模型：

W_cycle是循環氫氣質量流量(kg/s)；c_pH2是氫氣恒壓比熱容；T_t是氣體預壓縮溫度；π_cycle是絕熱壓縮比；η_cycle是氫氣循環泵的效率；V_cell為單電池電壓(V)。

2.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池動態工況下熱力學性能的綜合評價方法，其特征在于，

電壓模型：V_cell＝E_Nernst-V_act-V_ohmic-V_con

E_Nernst是能斯特電位(V)；V_act是激活活化損耗電壓(V)；V_ohmic是歐姆極化損耗電壓(V)；V_con是濃度損耗電壓(V)；

空氣壓縮機模型：

c_p指的是入口氣體的恒壓比熱容(KJ/kg·K)；ΔT_gas是入口氣體壓縮后的溫升(K)；是進氣的質量流量(kg/s)；

加濕器模型：

是將1mol 298K的水加熱至進氣溫度下的水蒸氣所消耗的焓值(KJ/mol)；和分別是進氣加濕后進氣氣體(空氣、氫氣)中水蒸汽流量(mol/s)；

冷卻水泵模型：

f_w是冷卻水流速(L/min)。